IGBT模块用DBC基板的设计

# 技术文库 2016-06-07 10:20 来源：中国电力电子产业网

　　摘要 IGBT模块因其优异的电气性能，已经被广泛的应用于现代电力电子技术中，DBC基板的设计是IGBT模块结构设计中最重要的一环，DBC基板设计的优劣将直接影响到模块的电气特性，遵循一定的设计原则就可以很好的完成DBC基板的设计工作。

　　关键词 IGBT模块 DBC基板版图设计

　　IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,采用IGBT芯片封装制造而成的IGBT模块因此被广泛的应用在现代电力电子技术中,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

　　在IGBT模块封装设计中，承载IGBT芯片以及Diode芯片的DBC基板(Direct Bonding Cooper,简称DBC)的设计是IGBT模块结构设计的关键技术，DBC基板的材质选择、版图设计等各种设计因素直接影响到IGBT模块在完成封装制造之后的各项电气性能的优劣。本文详细介绍了有关IGBT模块用DBC基板的有关基本知识、版图设计原则，以供相关工程技术人员参考。

　　一、 DBC基板简介

　　1.1 DBC基板

　　DBC基板(Direct Bonding Copper),即直接覆铜陶瓷基板，是一种陶瓷表面金属化技术,现代DBC基板主要存在两种形式，Al2O3陶瓷基板和AlN陶瓷基板。两种陶瓷基板的表面金属化技术大致相同，以Al2O3陶瓷基板为例[1、2]，通过在含氧的N2气氛中,将陶瓷基板加热至1063℃左右,使Cu箔直接焊覆在Al2O3基板上。在陶瓷表面金属化过程中,Cu原子与O原子形成的Cu2O共晶液相，润湿了互相接触的Cu箔和Al2O3陶瓷表面,同时还与Al2O3发生反应,生成Cu(AlO2)2、Cu(AlO2)等复合氧化物,充当共晶钎焊用的焊料,使二者牢固的结合在一起，最终形成可供使用的DBC基板。AlN陶瓷基板是一种非氧化物陶瓷,覆接铜箔的关键是使其表面形成符合上述覆接条件的过渡层。在过渡层上覆接铜箔的机理与Al2O3陶瓷基板大致相同。

　　1.2 DBC基板的优异特性

　　DBC基板在电力电子模块技术中，主要是作为各种芯片(IGBT芯片、Diode芯片、电阻、SiC芯片等)的承载体，DBC基板通过表面覆铜层完成芯片部分连接极或者连接面的连接，功能近似于PCB板。

　　DBC基板具有绝缘性能好、散热性能好、热阻系数低、膨胀系数匹配、机械性能优、焊接性能佳的显著特点。使用DBC基板作为芯片的承载体，可有效的将芯片与模块散热底板隔离开，DBC基板中间的Al2O3陶瓷层或者AlN陶瓷层可有效提高模块的绝缘能力(陶瓷层绝缘耐压>2.5KV)。DBC基板具有良好的导热性，热导率为20-260W/mK，IGBT模块在运行过程中，在芯片表面产生大量的热量，这些热量可有效的通过DBC基板传输到模块散热底板上，再通过底板上的导热硅脂传导于散热器上，完成模块的整体散热流动。同时，DBC基板膨胀系数同硅(芯片主要材质为硅)相近(7.1ppm/K)，不会造成对芯片的应力损伤，DBC基板抗剥力>20N/mm2,具有优秀的机械性能，耐腐蚀，不易发生形变，可在较宽温度范围内使用。DBC基板焊接性能良好，焊接空洞率小于5%，DBC基板具有较厚的铜层,该铜层能够负担很高的电流负载，在相同截面下，仅需要通常PCB板的12%的导电宽度，在单位体积内能传输更大的功率，提高系统和设备的可靠性。正是由于DBC基板的各种优良性能，DBC基板被广泛应用于各型IGBT模块中，采用DBC基板的IGBT模块具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。

　　二、 DBC基板版图设计

　　用于IGBT模块等各种电力电子模块的DBC基板主要类型为两类，即Al2O3陶瓷基板和AlN陶瓷基板，两种DBC基板在进行版图设计过程中，遵循的基本设计原则一致。

　　2.1 DBC基板尺寸类型

　　DBC基板厂家会根据用户需求，提供不同厚度DBC基板(不同厚度绝缘陶瓷层、不同厚度铜层)，市场上现有DBC基板绝缘陶瓷层厚度类型主要有：0.25mm、0.32mm、0.38mm、0.5mm、0.63mm、1mm等类型，表面铜层厚度类型主要有：0.1mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm等类型。不同厚度绝缘陶瓷层对应不同的绝缘等级，不同厚度铜层对应不同的电流承载能力，用户可根据所设计模块的绝缘耐压需求、电流电压等级以及散热设计需求采用合适类型的DBC基板。需要注意的是，用户在设计选择过程中，DBC基板上下表面铜层尽量采用一致厚度，厚度差不可超越50um,且DBC基板铜层厚度不可大于陶瓷层厚度。同时，小尺寸DBC基板通常采用母板裁剪的方式制作，母板尺寸有限，各个DBC基板厂家所能提供的最大尺寸母板各异，因此用户在模块设计过程中要注意避免所设计的DBC基板版图超越母板尺寸，造成DBC基板设计上的不合理。

　　2.2 DBC基板版图设计原则

　　DBC基板在IGBT模块中主要起到电气连接承载各种芯片的作用，在进行DBC基板版图的设计工作中，主要需要注意以下几个方面：

　　2.2.1 上下铜层边缘距离陶瓷层边缘距离尺寸

　　工程技术人员会根据所设计的模块绝缘耐压、模块结构特点、芯片排布方式等级选择不同尺寸的基板尺寸，上下铜层边缘距离陶瓷层边缘距离要设计合理，以某型DBC基板为例，如图2.2.1所示：

　　铜层边缘与陶瓷层边缘距离为A，A应遵循如下设计原则A≥0.5mm±0.3mm设计尺寸过小，不符合实际，厂家技术能力通常无法满足，且当尺寸过小时，有可能会造成上表面铜层边缘部位芯片与下表面铜层间放电，降低模块绝缘耐压等级，造成设计失败。

　　2.2.2 上铜层版图设计铜层线径及铜层间距

　　DBC基板上铜层版图设计是DBC基板设计的主要工作，版图主要根据用户模块结构特点、芯片排布、散热性能等因素进行设计，在DBC基板版图设计过程中，在满足各项要求下，需要注意各型DBC基板有最小线径要求以及铜层最小间距要求，最小线径、铜层最小间距与所选择的铜层厚度有关，线径过小、铜层间距过小会造成DBC基板通流能力不足、器件间隔绝缘耐压不足等缺陷。以某型DBC基板为例，遵循表2.2.2设计原则。